Diese Weiterentwicklung der Landwirtschaft im Sinne einer nachhaltigen und ressourceneffizienten Bewirtschaftung ist unter anderem dem immensen technologischen Fortschritt der vergangenen Jahrzehnte zu verdanken. Für den Ackerbau wird beispielsweise die Präzisionslandwirtschaft immer wichtiger. Bereits heute sind „intelligente“ Traktoren und Erntemaschinen Realität: Ausgestattet mit Sensortechnik, Bordcomputern und Satellitennavigation können die Zugmaschinen, Traktoren und Arbeitsmaschinen bei der Fahrt über das Feld den Zustand des Pflanzenbestandes erfassen, mit dem programmierten Düngebedarf abgleichen, mit Geodaten kombinieren und damit punktgenau auf Boden und Nährstoffbedarf der Pflanzen abgestimmt düngen. Die Präzisionslandwirtschaft trägt mit dazu bei, Agrarflächen bedarfsgerecht, umweltschonend und energiesparend zu bewirtschaften und die Emission von Treibhausgasen sowie den Verbrauch von Kraftstoff, Pflanzenschutz- und Düngemitteln zu reduzieren. Agrartechnische Innovationen haben auch Tierhaltung und Tiergesundheit entscheidend verbessert, der moderne Stall ist inzwischen vielfach mit Hightech-Sensoren ausgestattet, um Trinkwasser- und Futtermittelgabe bedarfsgerecht zu steuern sowie um das automatische Melken anzubieten. Solche technologischen Entwicklungen werden auch künftig dazu beitragen, den Ressourcenverbrauch in der Landwirtschaft zu reduzieren und die Bewirtschaftung im Sinne einer nachhaltigen Landwirtschaft weiter voranzutreiben. Im Rahmen der Bioökonomie wird es nun darauf ankommen, das vielfältige Wissen für einzelne Bereiche der Landwirtschaft noch stärker als bisher untereinander zu vernetzen und auch vor- und nachgelagerte Bereiche noch stärker mit einzubeziehen.

Dies gilt insbesondere mit Blick auf die globale Nachfrageentwicklung. Sie stellt auch die hiesige Landwirtschaft vor vielfältige Herausforderungen: Aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung steigt der Bedarf an Biomasse stetig. Dem kann nicht einfach über einen verstärkten Anbau von Pflanzen begegnet werden, da die weltweit verfügbare Ackerfläche pro Kopf rückläufig ist. Gründe dafür sind ausgedehnte Siedlungsflächen, Erosion, Auswirkungen des Klimawandels und eine nicht-nachhaltige Nutzung. Deshalb kann nach Ansicht von Fachleuten insbesondere durch Verbesserung der angebauten Nutzpflanzen und durch innovative sowie umweltschonende Anbaumethoden der steigende Bedarf an Biomasse gedeckt werden. Hier können die Agrarforschung und die Pflanzenzüchtung entscheidende Impulse setzen. Deutschland ist bei der Pflanzenforschung im internationalen Vergleich gut aufgestellt. Neben rund 30 Universitäten betreiben in Deutschland 25 Institute der großen Forschungsorganisationen und Ressortforschungsinstitute des Bundes, wie das Julius Kühn-Institut und das Johann Heinrich von Thünen-Institut an verschiedenen Standorten pflanzenbezogene Agrarforschung. Letztere werden durch Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) getragen. Im Agrarbereich wird aber auch in den vielen mittelständischen landwirtschaftlichen Unternehmen sowie an Einrichtungen der Länder einschließlich der Institute der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz (WGL) geforscht.

Angetrieben wird die Forschung für die Pflanzennutzung im Sinne einer biobasierten Wirtschaft dabei von mehreren Zielen: Zum einen wird angestrebt, den Ertrag von Nutzpflanzen zu steigern, beispielsweise durch robustere und besser an die jeweiligen Umweltbedingungen angepasste Gewächse.  Moderne Pflanzenzüchtung soll aber auch dazu beitragen, die Sortenvielfalt auszubauen und das Spektrum an von Pflanzen produzierten Inhaltsstoffen zu erhöhen. Gefragt sind insbesondere neue Sorten, die widerstandsfähig gegenüber Stressfaktoren wie Trockenheit, Nährstoffmangel und Salzüberschuss sind. Gleichzeitig gilt es aber auch, die vorhandenen Umweltressourcen wie Böden, Wasser und Nährstoffe möglichst effizient und nachhaltig zu nutzen sowie die Biodiversität im Auge zu behalten. Vor- und Nachteile pflanzenzüchterischer Neuerungen werden beispielsweise in Verbundprojekten der BMBF-Förderinitiative „Innovative Pflanzenzüchtung im Anbausystem (IPAS)“ untersucht. Hier geht es darum, Pflanzen im Gesamtsystem zu betrachten und aktuelle Entwicklungen in der Landwirtschaft auf ihre sozialen, ökologischen und ökonomische Auswirkungen hin zu untersuchen.

Einen wichtigen Baustein innerhalb der Pflanzenzüchtung stellt die Pflanzengenomforschung dar: Wie haben sich Pflanzen über die Jahre an ihre Umweltbedingungen angepasst? Welche Eigenschaften sind in traditionellen Sorten genetisch verankert und womöglich im Laufe der modernen Züchtung verlorengegangen?

Neben Studien an Modellpflanzen nehmen die Forscher in Zusammenarbeit mit Unternehmen dabei wichtige Nutzpflanzen unter die molekulare Lupe. Ein Beispiel: Die Gerste, die nach dem Weizen hierzulande als das zweitwichtigste Getreide gilt. Trotz seiner Größe und Komplexität konnte das Gerstenerbgut bis heute fast vollständig entziffert werden. Ein internationales Konsortium unter Führung von Wissenschaftlern aus Gatersleben hat dazu eine gründliche Inventur des Gerstengenoms vorgenommen und einen umfassenden Genkatalog erstellt. Diese molekulargenetische Karte ist eine äußerst wertvolle Ressource für Pflanzenforscher und Pflanzenzüchter weltweit: Sie schafft die nötige Voraussetzung, um das Gerstengenom vollständig sequenzieren zu können. Hieraus werden aufbauend neue Sorten entwickelt. Ähnlich erfolgreiche Sequenzier-Projekte gibt es auch für andere Nutzpflanzen, so etwa die Zuckerrübe. Auch hier sind deutsche Forscher an der Entzifferung und der Genomanalyse maßgeblich beteiligt.

Für Öko-Landwirte gehört nachhaltiges, biobasiertes Wirtschaften seit jeher zum Kern ihres Tuns. Um besonders ressourcenschonend und umweltverträglich zu wirtschaften und die Eingriffe in die Natur so gering wie möglich zu halten, legen Öko-Landwirte Wert auf möglichst geschlossene Betriebskreisläufe und bauen das Futter für die Tiere hauptsächlich im eigenen Betrieb an. Auf leicht lösliche Mineraldünger und chemischen Pflanzenschutz wird verzichtet. Um die Böden fruchtbar zu halten, düngen Bio-Bauern mit Mist oder Gülle oder sie bauen regelmäßig Früchte wie Ackerbohnen, Erbsen oder Klee an, die die Fruchtbarkeit des Bodens verbessern. 2014 gab es in Deutschland rund 23.400 Betriebe (8,2 % aller Betriebe), die nach den Regeln des ökologischen Landbaus gearbeitet haben. Zusammen bewirtschafteten sie rund 6,3% der landwirtschaftlich genutzten Fläche – gut eine Million Hektar. Ähnlich wie bei ihren konventionell anbauenden Kollegen ist das Thema Ertrag auch im Ökolandbau eine wichtige Frage – nicht zuletzt auch mit Blick auf eine immer größere Nachfrage nach Bioprodukten in der Gesellschaft.  Entsprechend groß ist das Interesse an neuen Forschungserkenntnissen zur Landnutzung und Bodenfruchtbarkeit oder anderen Strategien, um Erträge nachhaltig zu steigern. Hierbei gilt das Potential von Leguminosen längst nicht als ausgeschöpft. Diese Pflanzen können dank Knöllchenbakterien an ihren Wurzeln Stickstoff aus der Luft fixieren. Sie stellen deshalb eine wichtige Düngerquelle für die Böden dar. Zudem sind sie reich an Eiweißen und damit ein wertvoller Eiweißlieferant. Im Rahmen der Bioökonomie fördert die Bundesregierung im Zuge der Eiweißpflanzenstrategie Projekte, die dem Anbau und der Züchtung von eiweißhaltigen Lupinen, Soja, Erbsen und Ackerbohnen hierzulande wieder zu einem Aufschwung verhelfen sollen.

Stickstoffsammler auf dem Acker: Fruchtbare Böden durch Leguminosen

Der ökologische Landbau strebt ein Wirtschaften im Einklang mit der Natur an, insbesondere durch Verzicht auf chemische Pflanzenschutzmittel und Mineraldünger – schließlich sind Pflanzenschutzmittel im Ökolandbau nur in sehr eingeschränktem Maße zugelassen. Stattdessen setzen die Landwirte auf Stallmist, Gülle oder Gärreste aus Biogasanlagen als Nährstofflieferanten. Des Weiteren nutzen sie Leguminosen. Leguminosen dienen im Ackerbau als Stickstoffsammler und Eiweißquelle in der Tierhaltung. Der Anbau von Erbse, Ackerbohne und Lupine ist unverzichtbar, gilt jedoch als anspruchsvoll und ist betriebswirtschaftlich anderen Kulturen häufig unterlegen. Bekannt ist auch, dass nach mehreren Jahren Anbau, der Acker Anzeichen von Bodenmüdigkeit aufzeigt. In einem interdisziplinären Verbundprojekt zur Bodenfruchtbarkeit, im Rahmen des Bundesprogramms Ökologischer Landbau (BÖLN) gefördert durch das BMEL, wurden zwischen 2008 und 2012 in 32 Betrieben Strategien erprobt, mit denen sich der Anbau der Leguminosen optimieren lässt. Von Maßnahmen zur zusätzlichen Bodendüngung mit Gehölzhäckseln oder Grüngutkompost über die Unkrauteindämmung – die Projektergebnisse zeigen vielfältige neue Wege für die Praxis auf. Im Rahmen der vom BMEL 2012 aufgelegten Eiweißpflanzenstrategie sind bundesweit eine Reihe weiterer Forschungs- und Netzwerkvorhaben gestartet, die darauf abzielen, den Anbau und die Verwendung von Leguminosen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu verbessern.

Neben Pflanzen sind Nutztiere eine unverzichtbare Ressource für die Versorgung der Menschen mit hochwertigen Lebensmitteln. Insbesondere mit Blick auf die Sicherung der Ernährungsgrundlage einer wachsenden Weltbevölkerung steigt der Bedarf an hochwertigen Lebensmitteln tierischer Herkunft Expertenschätzungen zufolge bis 2050 um weltweit das Doppelte. Hinzu kommen Herausforderungen, die sich durch den Klimawandel, durch knapper werdende Ressourcen und wandelnde Verbraucheransprüche ergeben. Eine ressourcenschonende und artgerechte Tierhaltung hat daher im Rahmen der Bioökonomie einen hohen Stellenwert und spielt in diversen Forschungsvorhaben an Universitäten, an außeruniversitären Forschungseinrichtungen sowie den Instituten der Ressortforschung eine wichtige Rolle. Förderprojekte verschiedener Ministerien gibt es beispielsweise zur besseren Kompetenzvernetzung in der Agrar- und Ernährungsforschung, der Erforschung von züchterisch interessanten Merkmalen bei Tieren und zur tierischen Gesundheit in der Nutztierhaltung. 

Um die Expertise überregional besser zu vernetzen, fördert das BMBF seit 2010 mehrere „Kompetenznetze in der Agrar- und Ernährungsforschung“, die dabei helfen können, gesellschaftliche Probleme mit agrarwissenschaftlichem Know-how zu lösen. Mit Milchforschung beschäftigt sich zum Beispiel ein von der Universität Kiel koordiniertes Netzwerk. Von der Fütterung über die Milchproduktion bis zur Gesundheit des Verbrauchers nehmen die Wissenschaftler die gesamte Wertschöpfungskette der Milch unter die Lupe. Dabei kooperieren die Forscher mit Unternehmen der Milch- und Futtermittelindustrie. Agrarwissenschaftler in einem federführend in Rostock geleiteten Netzwerk wiederum konzentrieren sich auf die Erforschung von züchterisch interessanten Merkmalen bei Rind und Schwein – dazu setzen sie auf Genomanalysen und Bioinformatik. Denn innovative Ansätze, die zu robusteren und krankheitsresistenteren Nutztieren führen, sind zunehmend gefragt. In dem von der TU München koordinierten, BMBF-geförderten Cluster Synbreed haben Nutztiergenetiker erfolgreich das Erbgut des Fleckviehrinds nach Vererbungsmustern durchsucht, die die Gesundheit des Tieres positiv beeinflussen: zum Beispiel braunes Fell um die Augenpartie – solch eine„Brille“ ist für Weidevieh ein wünschenswertes Merkmal. Denn es hilft, übermäßige Sonneneinstrahlung zu verringern und beugt Augenkrankheiten vor. Das BMEL fördert im Rahmen seiner Innovationsförderung ebenfalls zahlreiche Forschungsprojekte zur Nutztierhaltung. Mit Aspekten der Tiergesundheit und des Tierwohlergehens wiederum beschäftigen sich transnationale Projekte im europäischen ERA-Net „ANIHWA – Animal Health and Welfare“, die von BMBF und BMEL gemeinsam gefördert werden. Dabei geht es um eingeschleppte Krankheitserreger, die schnelle Identifizierung und Isolierung erkrankter Tiere sowie die Entwicklung neuer Diagnoseverfahren und Impfstoffe. Des Weiteren werden neue Wege im Umgang mit Antibiotika sowie Alternativen zum Antibiotikaeinsatz in der Nutztierhaltung erarbeitet. Ein wichtiges Thema in der Nutztierforschung besteht zudem darin, Emissionen gezielt zu senken und eine Überdüngung zu vermeiden. Kühe, Schweine und Co scheiden klimarelevante Gase wie Methan aus, Harn und Kot enthalten Phosphor und Stickstoff. Im Rahmen der Bioökonomie werden inzwischen gezielt Konzepte verfolgt, diese sowohl zu reduzieren bzw. sie in einem intelligenten Kreislauf als Rohstoff für andere Produkte zu nutzen.

Eine besondere Form der Nutztierhaltung ist die Aquakultur. Hierunter wird die kontrollierte Aufzucht, Haltung und Vermehrung aquatischer Organismen gefasst. Darunter fallen nicht nur Fische, sondern auch andere Süß- und Meereswasserbewohner wie Muscheln oder Algen. Weltweit zählt die Aquakultur zu den am stärksten wachsenden Sektoren der Lebensmittelerzeugung, mit jährlichen Wachstumsraten von 5 % bis 8 %. Was die Aquakultur für eine nachhaltige Produktion tierischen Eiweißes besonders interessant macht, ist ihre gute Ökobilanz. In Deutschland reicht die Aquakultur von naturnahen, extensiv bewirtschafteten Teichanlagen über Durchflussanlagen bis hin zu geschlossenen Warmwasserkreislaufanlagen. Die Aquakulturbetriebe sind hierzulande überwiegend in Familienhand. Im Jahr 2014 wurden nach Angaben des Statistischen Bundesamtes rund 28.000 Tonnen Speisefisch produziert ( Jahresbericht der dt. Binnenfischerei). Damit hinkt Deutschland im internationalen Vergleich jedoch hinterher. Deutsche Aquakultur-Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft haben deshalb im Zuge einer EU-Verordnung einen „Nationalen Strategieplan Aquakultur“ (NASTAQ) ausgearbeitet. Darin werden Maßnahmen formuliert, um auch in Deutschland eine nachhaltige Produktionssteigerung in der Aquakultur zu erreichen.

An innovativen Ansätzen mangelt es nicht: An mehr als 30 deutschen Forschungseinrichtungen beschäftigen sich Wissenschaftler mit Fragen zur optimalen, nachhaltigen Aquakultur. Besonders vielversprechend sind hier Ansätze, die auf Kaskadennutzung setzen: Dank Wiederverwendung des gereinigten Wassers sowie durch die Nutzung von Abwärme von Biogasanlagen werden Aquakultur-Kreislaufanlagen zunehmend vom Wasser auf das Land verlegt und wirtschaftlich attrak-tiv. Es werden aber auch ganz neuartige Ansätze verfolgt, um Pflanzenanbau und Nutztierhaltung in einem Kreislaufsystem zu kombinieren, wie Aquaponik und Urban Farming. Aquaponik-Systeme sind weitgehend geschlossene Anlagen, die Nährstoffe, Stoffwechselprodukte, Kohlendioxid und Wasser wiederverwerten. Das sogenannte urban farming ist eine Zukunftsvision, um die Nachfrage nach regionalen Produkten mit zu bedienen sowie vor Ort anfallende Rest- und Abfallstoffe oder Abwärme gezielt zu nutzen.